ДОКЛАДЫ И ТЕЗИСЫ WCAEE-2010
ARTICLES AND THESES WCAEE-2010
ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА
HYDROGEN ECONOMY
Статья поступила в редакцию 15.05.10. Ред. рег. № 802
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧНОСТИ АВТОМОБИЛЯ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАЛОГО КОЛИЧЕСТВА ВОДОРОДА
Н.В. Горшков, А.С. Денисов, А.М. Михайлова, В.В. Родионов
Саратовский государственный технический университет, 410054 Саратов, ул. Политехническая, д. 77 e-mail: chemistry@sstu.ru
Заключение совета рецензентов: 30.05.10 Заключение совета экспертов: 10.06.10 Принято к публикации: 20.06.10
Введение
Наибольшая доля химического загрязнения окружающей среды приходится на отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания. Теоретически предполагается, что при полном сгорании топлива образуется углекислый газ и водяной пар. Практически же вследствие физико-химических процессов в цилиндрах двигателя действительный состав отработавших газов очень сложный. К его токсичным компонентам относятся СО, CmH„, NO^, SO.,., альдегиды, сажа, бензо-а-пирен (C20H12) и соединения свинца.
Технологическое совершенствование двигателей автомобилей идет по следующим направлениям: экономия топлива; введение присадок в топливо; использование комбинированных и новых видов топлива.
Водород в качестве добавки в топливо
Для улучшения характеристик двигателей используется такое инженерное решение, как активация топливовоз-душного заряда.
Водород как моторное топливо обладает рядом несомненных преимуществ, позволяющих использовать его в качестве добавки, инициирующей процессы воспламенения и горения топливовоздушной смеси. Также неоспоримыми достоинствами этого топлива являются относительная экологическая безопасность его использования, приемлемость для тепловых двигателей без существенного изменения их конструкции, высокая калорийность и нетоксичность. Применение водорода в любых количествах приводит к улучшению процесса сгорания топлива и, как следствие, к улучшению его эксплуатационных характеристик.
В связи со сложностями получения и хранения водорода наибольший интерес в настоящее время представляют системы с подачей малых количеств водорода, которые возможно получать с использованием автономных источников водорода [1].
В последнее время появились разработки системы порционной подачи водорода, генерируемого электролизером на борту автомобиля. При такой комплектации возникает ряд инженерных задач, связанных с размещением на борту конструктивных элементов, входящих в систему подачи водорода (накопительная емкость, электролизер, блок питания и управления) [2].
The article has entered in publishing office 15.05.10. Ed. reg. No. 802
IMPROVED ENVIRONMENTAL AUTOMOBILE USE SMALL AMOUNTS OF HYDROGEN
N.V. Gorshkov, A.S. Denisov, A.M. Mikhailova, V. V. Rodionov
Saratov State Technical University 77 Politekhnicheskay str., Saratov, 410054, Russia e-mail: chemistry@sstu.ru
Referred: 30.05.10 Expertise: 10.06.10 Accepted: 20.06.10
Introduction
The largest share of chemical pollution of the environment falls on the exhausts of internal combustion engines. Theoretically, it is assumed that by complete combustion of fuel produced carbon dioxide and water vapor. In practice, due to physical and chemical processes in the cylinders of the engine exhaust gases from the actual composition is very complex. By its toxic components include CO, CmHn, NO*, SO*, aldehydes, soot, benzo-a-pyrene (C20H12) and lead compounds.
Technological improvement of internal combustion engines of cars is in the following areas: fuel economy, introduction of additives into fuel, the use of combined and new fuels.
Hydrogen as additives fuel
To improve the characteristics of motor is used by an engineering solution, as the activation of air-fuel charge.
Hydrogen as a motor fuel has a number of undoubted advantages which can be used as additives, initiating the process of ignition and combustion of fuel-air mixture. Also indisputable advantages of this fuel are the relative environmental safety of its use, acceptability for thermal engines with no significant change in their design, high caloric and non-toxicity. The use of hydrogen in any quantity leads to improved fuel combustion and, consequently, to improve its performance.
Due to the difficulties of obtaining and storing hydrogen, the most interest at present represent a system with feeding of small amounts of hydrogen, which may be obtained by using independent sources of hydrogen [1].
There are recent developments of a system of filing portion of the generated electrolytic hydrogen on board the vehicle. In such a configuration, a number of engineering problems associated with deployment on board the constructive elements within the hydrogen supply system (holding tank, electrolyser, power supply and control) [2].
In a series of proposed improvements directly to parts and systems of internal combustion engines [3]. This principle can be implemented in other structures, such as system power-injected engines is proposed to establish electrolyzer into the intake manifold between the throttle and intake valve.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 7 (87) 2010 © Научно-технический центр «ТАТА», 2010
Доклады и тезисы WCAEE-2010
В ряде работ предлагается усовершенствовать непосредственно детали и системы двигателя [3]. Данный принцип может быть реализован в других конструкциях, например, в системе питания инжекторного двигателя предлагается установить электролизер во впускной коллектор между дроссельной заслонкой и впускным клапаном. В данном способе предлагается разлагать воду, находящуюся в воздухе, дополнительно увлажняя его. Для интеграции электролизера во впускную систему ДВС необходимо либо изготовить трубчатый вариант электролизера, который беспрепятственно размещался бы во впускной трубе, либо впускную трубу модернизировать элементами для разложения воды.
Протонпроводящие полимерные композиты
Основным элементом такого электролизера является протонпроводящая мембрана. Обычно протонпроводящая мембрана представляет собой пленку из полимера с гидрофобной основной цепью и кислотными группами в боковых цепях. Гидрофобная часть полимера содержит обычно алифатические, ароматические, фторированные или нефторированные фрагменты. В качестве кислотных групп, генерирующих протоны, чаще всего используются сульфогруппы, реже - кислотные остатки фосфорной кислоты. Основной функцией протонообменной мембраны является перенос в катодную область протона, образовавшегося в результате ионизации водорода на аноде [4].
Технические характеристш Specifications proti
This method is proposed to decompose the water in the air further watered. To integrate the cell into the intake system of internal combustion engines, you must either make a tubular version of the electrolyzer, which is easily placed into the inlet pipe or inlet pipe upgrade elements for the decomposition of water.
Proton-conducting polymer composites
The main element of such a cell is a proton-conducting membrane. Typically, proton-conducting membrane is a film of polymer with a hydrophobic main chain and acidic groups in side chains. Hydrophobic parts of polymer will usually contain aliphatic, aromatic, fluorinated or non-fluorinated fragments. As the acid groups, generating protons, are most commonly used sulfonic, rarely - acid phosphoric acid residues. The main function of a Proton Exchange Membrane transport in the cathode region of the proton, formed as a result of ionization of hydrogen at the anode [4].
At present we are working to create a proton-conducting membrane with desired properties (size, conductivity, resistance) to work in the given conditions. The researches samples nanocomposite membranes, obtained by polycondensation filling of acrylic copolymer fiber. Developed several variants of the electrolyte membrane obtained by solgel method. Particle size obtained in this way lie in the range 24 nm. Characteristics obtained proton-conducting membrane in the table [5].
протонпроводящей мембраны -conducting membrane
Параметр Parameter Значение Value
Электропроводность, См-см Electrical conductivity, S-cm 10-5 - 10"2
Диапазон влажности, % Humidity Range, % 10 - 95
Диапазон рабочих температур, °С Operating temperature range, °C от -10 до +70
Толщина пленки, мкм Film thickness, ^m 30 - 120
В настоящее время нами ведутся работы по созданию протонпроводящей мембраны с заданными свойствами (размеры, проводимость, стойкость) для работы в заданных условиях. Проведены исследования образцов нанокомпо-зитных мембран, полученных методом поликонденсационного наполнения сополимерного полиакрилонитрильного (ПАН) волокна. Разработаны некоторые варианты состава электролитных мембран, полученных золь-гель методом. Размеры частиц, полученных данным способом, лежат в интервале 2-4 нм. Характеристики полученных протонпро-водящих мембран, включающих в качестве наполнителя твердый электролит, выбранный из ряда сульфо- и гетеро-поликислот, представлены в таблице [5].
Заключение
По теоретическим расчетам для 3-5% добавки водорода в топливовоздушную смесь для автомобиля с расходом топлива около 7 л/км необходим электролизер производительностью 40-50 л/час. При высоком к.п.д. электролизера это позволит достичь не только повышения экологических параметров, но и обеспечит экономию топлива на определенных режимах работы двигателя 5-10%.
Conclusion
According to theoretical calculations for a 3.5% admixture of hydrogen in air-fuel mixture for a car with a fuel consumption of about 7 l/km, requires electrolyzer performance 40-50 l/hour. With high efficiency electrolyzer that will reach not only improve the environmental parameters, but also provide fuel savings on certain modes of engine of 5-10%.
References
1. Ivashin P.V., Kolominets P.V., Smolensky V.V., Shaikin A.P. The addition of hydrogen in the fuel-air mixture combustion engine, the speed of propagation, electrical conductivity of the flame and toxicity of waste gases // International Symposium on Hydrogen Energy 2005: Proceedings Int. Conf. M
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.